## KORELASI ANTARA PERSEN KANDUNGAN Si DENGAN LAJU KOROSI DALAM UAP AIR PADA INGOT PADUAN Zr-1,5w%Nb-Si
Heri Hardiyanti (1) dan Futichah (1)

## 1.  Pusat Teknologi Bahan Bakar Nuklir PTBN – BATAN

## Kawasan Puspiptek, Serpong, Tangerang

## ABSTRAK
KORELASI  ANTARA  PERSEN  KANDUNGAN  SI  DENGAN  LAJU  KOROSI  DALAM  UAP  AIR PADA  INGOT  PADUAN  ZR-1,5W%NB-SI .  Silikon  dapat  ditambahkan  pada  paduan  Zr  tanpa mengurangi  sifat  ekonomi  netron  termal.  Dalam  jumlah  kecil  Si  meningkatkan  ketahanan  korosi pada  sistem  paduan  biner  (Zr  dan  Si).  Penambahan  Si  yang  lebih  besar  terhadap  paduan  akan mengakibatkan  kerusakan  korosi  lebih  cepat.  Penelitian  ini  bertujuan  untuk  melihat  pengaruh kandungan  Si  terhadap  laju  korosi  ingot  Zr-1,5w%Nb-Si.  Sampel  hasil  leburan  dengan  variasi kandungan silikon berturut turut 0,1% Si; 0,2% Si dan 0,25% Si, dianil pada temperatur 400 o C, 600 o C dan 800 o C selama 4 jam dan 6 jam. Sampel hasil anil kemudian di- pikling , dicuci dan ditimbang. Selanjutnya  dilakukan  proses  korosi  menggunakan autoclave dengan  tekanan  8  bar,  pada temperatur  350 o C  dan  ditahan  selama  8  jam,15  jam  dan  24  jam.  Setelah  dilakukan  uji  korosi sampel  ditimbang  kembali.  Dari  hasil  penelitian ini  dapat  disimpulkan  bahwa  pengaruh  kandungan Si  pada  paduan  Zr-0,5w%Nb-Si  terhadap laju  korosi menunjukkan  bahwa  dengan  penambahan  Si sampai  0,2%    pertambahan  berat  hasil  pengujian  korosi  pada  paduan  Zr-0,5w%Nb-Si  semakin menurun . Penambahan kadar Si lebih dari 0,2 % mengakibatkan kerusakan korosi lebih lanjut pada paduan  Zr-0,5w  %Nb-Si  sehingga  ketahanan  korosinya  menurun . Ditinjau  dari  penambahan kandungan  Si,  diperoleh  laju  korosi  terendah  dengan  kandungan  Si  0,2%  temperatur  350 o C  dan waktu korosi 24 jam dan terjadi pada sampel yang mengalami anil 800 o C  dan waktu penahanan 6 jam. Dengan korelasi adalah Y = 1.1165 X -0.9969 dimana, Y= Pertambahan berat (mm/dm 2 ) dan X= Kadar Si (%)
Kata Kunci : Paduan Zr-Nb-Si, Korosi

## ABSTRACT
CORRELATION  BETWEEN  SILICON  CONTENT  AND  IN-STEAM  CORROSION  RATE  OF  ZR-
1.5WT%-SI  INGOT .    Silicon  is  normally  added  in  a  small  amount  to  a  Zr-alloy  to  improve  its corrosion  resistance  without  having  to  sacrifice  its  neutronic  property.    An  excessive  amount  of silicon addition is known to have caused faster corrosion rate.  The objective of this research was to observe  the  effect  of  silicon  content  on  the  corrosion  rate  of  Zr-1.5wt%Nb-Si  ingot.    The  ingot specimens  had  various  silicon  contents  of  0.1  wt%,  0.2  wt%,  and  0.25  wt%.    All  of  them  were annealed at 400 o C, 600 o C, and 800 o C for four and six hours.  The corrosion test was conducted in an  autoclave  at  8  bars  and  350 o C  for  8,  15,  and  24  hours.    The  results  showed  that  for  a  silicon addition  of  up  to  0.2  wt%  the  weight  gain  due  to  corrosion  was  decreasing.    A  silicon  addition  of greater  than  0.2  wt%  had  shown  to  have  caused  a  reduction  in  the  corrosion  resistance  of  the
specimen.    The  specimens  that  showed  the  smallest  corrosion  rate  under  a  testing  condition  of 350 o C  for  24  hours  were  those  whose  silicon  contents  were  up  to  0.2  wt%  and  were  annealed  at 800 o C  for  six  hours.  The  correlation  followed  an  equation  of  Y  =  1.1165  X -0.9969 where, Y= Weight gain (mm/dm 2 )  and X=  Si Content (%).
Key words : Zr-Nb-Si alloy, corrosion

## PENDAHULUAN
Teknologi  proses  pembuatan  logam paduan  zirkonium  untuk  bahan  kelongsong terus  dikembangkan  dalam  upaya  untuk meningkatkan  sifat  mekanik  dan  ketahanan korosi  dalam  air/uap  air.  Salah  satu  upaya yang  dilakukan  yaitu  dengan  penambahan unsur niobium dan silicon dalam paduan untuk meningkatkan kekuatan paduan dan ketahanan  korosi  dalam  air  dan  uap  air  pada temperatur  tinggi.  Alasan  pemakaian  unsur tersebut  sebagai  kelongsong  didasarkan  atas sifat  fisis  dan  mekanik  yang  dimilikinya,  yaitu tampang  lintang  serapan  netron  rendah, kekuatan  mekanis  stabil  pada  tekanan  dan temperatur  tinggi,  tahan  korosi  pada  tekanan dan temperatur tinggi (<400 o C), tahan terhadap  kerusakan  akibat  radiasi,  mudah dikerjakan dan difabrikasi [1] .
Berdasarkan  kajian  pustaka  terhadap logam paduan Zr-Si diketahui bahwa penambahan  Si  antara  0,015%  sampai  0,3% ke  dalam  logam  induk  zirconium,  yang  mana Si terdistribusi secara merata sebagai impuritas  serta  menutup  seluruh  permukaan butir,  dapat  meningkatkan  ketahanan  korosi selama  pendinginan  perlahan-lahan  dalam areal  (α+β) [2] .  Pada  penelitian  ini  akan  dilihat pengaruh  kandungan  Si  terhadap  laju  korosi ingot  Zr-1,5w%Nb-Si  hasil  anil  dengan  variasi kandungan  Si  0,1%;  0,2%  dan  0,25  %,  dan waktu  korosi  8  jam,15  jam  dan  24  jam.  Pada penelitian ini diharapkan penambahan Si pada paduan zirkonium akan meningkatkan ketahanan korosi paduan tersebut.

## TEORI
● Zirkonium dan paduannya
Zirkonium  memiliki  tampang  lintang serapan netron termal yang rendah yaitu 0,180
barn,  titik  lebur  tinggi  (1850 o C),  kekuatan mekanik  tinggi  pada  temperatur  tinggi,  daya tahan  korosi  terhadap  air  dan  uap  air  serta keberadaan  dan  kelimpahan  di  alam  cukup besar.  Hal  ini  memberikan  peluang  bagi zirkonium untuk digunakan sebagai kelongsong  elemen  bakar  dan  bahan  struktur pada  reaktor  air  ringan  (LWR)  atau  air  berat (HWR).  Biasanya  zirkonium  yang  digunakan ini  dipadu  dengan  unsur  lain  sehingga membentuk  paduan  zirconium  (zirkaloi)  yang mempunyai  sifat-sifat  yang  lebih  baik  seperti yang diinginkan [3]
Bahan  kelongsong  yang  berada  di dalam reaktor mengalami radiasi netron termal dan  dapat  mengalami  kerusakan.  Zirkaloi mempunyai  kekuatan  mekanik  yang  relatif stabil  terhadap  radiasi  netron  serta  tahan terhadap  korosi  dalam  air  temperatur  tinggi (400 o C). Berdasarkan sifat-sifat di atas, zirkaloi memiliki nilai lebih untuk diaplikasikan sebagai kelongsong bahan bakar nuklir reaktor daya.
● Pengaruh silikon
Silikon dapat ditambahkan pada paduan Zr dalam jumlah sampai dengan 0.3% Si  tanpa  mengurangi  sifat  ekonomi  netron termal,  karena Si mempunyai tampang lintang serapan  neutron  termal  yang  kecil  yaitu  0,16 bar. Dalam jumlah kecil Si akan meningkatkan ketahanan  korosi  pada  paduan  biner  Zr-  Si. Diagram fasa sistem paduan biner Zr- Si dapat dilihat  pada  Gambar  1.  Penambahan  Si  yang lebih  besar  dari  0,3%  berat  pada  paduan  ini, akan  mengakibatkan  kerusakan  korosi  lebih cepat. [2]
Di  USA  dipatenkan  paduan  Zr  yang mengandung  0.015%  -0.3%  Si,  yang mana  Si akan  terdistribusi  secara  merata  sebagai impuritas  yang  menutup  seluruh  permukaan
butir  dan  meningkatkan  ketahanan  korosi selama  pendinginan  perlahan-lahan  dalam areal (α+β). Pada diagram fasa Zr-Si dapat
dilihat bahwa dengan penambahan konsentrasi  Si  0.1%  -  0.25%  pemanasan sampai  800 o C  akan  terjadi  fase  α  Zr.
Gambar 1. Diagram fase Zr-Si [10]

## ● Pengaruh Oksidasi
Oksidasi  adalah  suatu  proses  di mana  materi  yang  bereaksi  kehilangan elektron-elektron  valensi,  yang  digambarkan dengan rumus: [9]
Me → Me n+ + ne -
Proses  ini  paling  sering  terjadi  karena  reaksi antara  suatu  logam  dengan  oksigen,  tetapi uap  belerang  ( sulfur )  dan  halogen  dalam keadaan gas atau cair juga dapat menimbulkan efek yang sama.
Reaksi antara logam dengan oksigen membentuk  oksida,  yang  kadang-kadang komposisinya  bisa  berbeda-beda  tergantung pada  temperatur  dan  tekanan  dari  medium pengoksida  ( oxydizing  medium ).  Sifat lapisan oksida  tersebut  akan  mempengaruhi  kinetika pembentukan  dan  pertumbuhannya. [9] Pada oksida dengan hantaran
ion,
laju pertumbuhan dapat dihambat dengan adanya
kekurangan  pasokan  elektron  dari  logam menuju  antarmuka  gas-oksida  akibat  sifat hantaran  elektron  yang  rendah  pada  oksida. Pada  oksida  dengan  hantaran  elektron,  laju pertumbuhan  tergantung  pada  perpindahan dan  pasokan  ion  yang  terus-menerus  ke permukaan  oksida  atau  antarmuka  oksida- logam. [8]
Berdasarkan mekanisme pertumbuhan  lapisan  oksida,  ketahanan terhadap oksidasi suatu
logam memungkinkan  untuk  ditingkatkan  dengan menambahkan  unsur-unsur  pemadu  yang sesuai. [8]
Dalam pelaksanaannya, luas
permukaan sampel diperoleh dengan mengukur  dimensi  panjang,  lebar,  ketebalan, dan  diameter  lubang  pada  sampel.  Hasil pengukuran tersebut dimasukkan ke persamaan berikut [11] :
2 2 ( )
2 4 d Ap l p tl t d t           ……(1)
dengan :
A  = luas permukaan spesimen, mm 2 p  = panjang spesimen, mm
l   = lebar spesimen, mm
t   = ketebalan spesimen, mm d  = diameter lubang pada spesimen, mm
Uji  oksidasi  dilaksanakan  dalam autoclave berisi  air  pada  temperatur  350  °C dengan  tekanan  8  bar.  Pertambahan  berat karena  pertumbuhan  lapisan  oksida  dihitung dengan persamaan berikut :
2 1 ( ) w w w
A 
  …………………………..(2)
dengan:
Δw        = pertambahan berat, mg/dm 2 w 1 , w 2 = berat spesimen sebelum dan sesudah uji oksidasi, mg A          = luas permukaan total spesimen, dm 2

## TATA KERJA

## ● Bahan
Bahan  yang  digunakan  adalah  ingot paduan  Zr-1,5w%Nb-Si  dengan  variasi  Si 0,1% ; 0,2% ; 0,25% .

## ● Peralatan
Peralatan  yang  digunakan  dalam penelitian  ini  adalah:  peralatan  preparasi sampel,  timbangan  analitik,  jangka  sorong, autoclave

## ● Cara  Kerja
Ingot  paduan  Zr-1,5w%Nb-Si  dengan variasi  Si  0,1%  ;  0,2%  ;  0,25%  hasil  anil temperatur 400 o C, 600 o C dan 800 o C dikenai proses  pikling  dengan  metode  ASTM  G  2M. Setelah  itu  dicuci  dengan  air  bebas  mineral dan dikeringkan kemudian ditimbang sebelum diuji  korosi.  Selanjutnya  sampel  diuji  korosi dengan  alat  autoclave  pada  tekanan  8  bar dan  temperatur  350 o C  dengan  waktu
penahanan berturut turut 8 jam,15 jam dan 24 jam.  Sampel  hasil  uji  korosi  kemudian ditimbang lagi.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Dari ketiga gambar yakni Gambar  2, 3 dan  4  yang  menampilkan  hubungan  antara laju  korosi  dengan  variasi  kandungan  Si ditinjau  dari  perlakuan  panas  pada  sampel sebelum  diuji  korosi,  diperoleh  laju  korosi terendah  pada  perlakuan  anil  dengan  waktu penahanan  6 jam. Pada waktu korosi 8 jam, korosi  terendah  terjadi  pada  sampel  anil  400 o C ,6 jam, dengan persamaan laju korosi  Y = 2.7875 X -0.1776 . Pada waktu korosi 15 jam laju korosi  terendah  diperoleh  pada  sampel dengan temperatur anil 600 o C, 6 jam dengan persamaan  laju  korosi    Y  =  2.6748X -0.2583 . Sdementara  itu,  untuk  waktu  korosi  24  jam diperoleh  laju  korosi  terendah  terjadi  pada sampel dengan tempratur anil  800 o C, waktu 6  jam  dengan  persamaan  laju  korosi  Y  = 1.1165  X -0.9969 .    Hal  ini  dapat  dijelaskan bahwa  perlakuan  panas  (anil)  yang  semakin lama akan mengurangi bahkan
menghilangkan  cacat  -  cacat  yang  terdapat dalam bahan [8,9] , sehingga berpengaruh terhadap  ketahanan  korosi  bahan  yaitu semakin  meningkatnya    ketahanan  korosi paduanZr-1,5w%Nb-Si.
Ditinjau dari waktu korosi yang berbeda,  pengaruh  kandungan  Si  terhadap laju korosi diperoleh laju korosi yang terendah dengan  waktu  korosi  15  jam  sekitar  3-8 mg/dm 2 .  Hal  ini  terjadi  pada  sampel  dengan kondisi  anil  temperatur  600 o C  dan  waktu  6 jam    dengan  korelasi  Y  =  2.6748X -0.2583 . Menurut literatur [8,9] semakin tinggi temperatur dan waktu anil pada suatu logam, maka  cacat-cacat  dislokasi  pada  logam tersebut  semakin  berkurang.  Oleh  karena  itu seharusnya  laju  korosi  terendah  terjadi  pada sampel dengan temperatur anil 800 o C,  bukan pada temperatur anil 600 o C. Hal ini disebabkan kemungkinan terjadinya
pelepasan lapisan oksida korosi pada saat uji korosi berlangsung, sehingga dapat mengurangi  berat  sampel  uji  korosi  dengan temperatur anil 800 o C.
Apabila  ditinjau  dari  penambahan unsur  Si, dari ketiga gambar yakni Gambar 2, 3 dan 4  dapat dilihat bahwa dengan semakin lama waktu korosi maka  semakin meningkat pertambahan  berat  sampel  uji,    disebabkan jumlah  oksida  yang  terbentuk  semakin banyak. Penambahan unsur Si sampai 0,2 % menghasilkan  pertambahan  berat  pada  hasil uji  korosi  pada  paduan  Zr-0,5w%Nb-Si semakin  menurun  disebabkan  jumlah  oksida yang terbentuk semakin sedikit.
Hal  ini  menunjukkan  bahwa  dengan penambahan  Si  sampai  0,2%    ke  dalam
paduan  akan  membentuk  fase  kedua  Zr-Si. Penambahan  kadar  Si  lebih  dari  0,2  % mengakibatkan  kelebihan  Si  yang  tidak sempat membentuk senyawa Zr-Si . Unsur Si yang  berdiri  sendiri  akan  mengakibatkan kerusakan korosi lebih lanjut pada paduan Zr- 0,5w%Nb-Si  sehingga  ketahanan  korosinya menurun [2] . Ditinjau dari penambahan kadar Si,  diperoleh  laju  korosi  terendah  dengan temperatur  350 o C  dan  waktu  korosi  24  jam yaitu  pada  penambahan  kadar  Si  sampai 0,2%,  dan  terjadi  pada  sampel  yang mengalami  anil  pada  temperatur  800 o C    dan waktu penahanan  6 jam seperti tampak pada Gambar  4.  Kurva  tersebut  mempunyai persamaan Y = 1.1165 X -0.9969 Gambar 2. Korosi pada temperatur 350°C, waktu 8 jam 0 2 4 6 8 10 12 14 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 % Si P e rt a m b a h a n B e ra t (m m /d m 2 ) Tanpa anil Anil 400oC,4jam Anil 400oC,6jam

## Gambar 3. Korosi pada temperatur 350°C, waktu 15 jam
Gambar 4. Korosi pada temperatur 350°C, waktu 24 jam

## SIMPULAN
Dari hasil penelitian ini dapat
disimpulkan  bahwa  pengaruh  kandungan  Si pada  paduan  Zr-0,5w%Nb-Si  terhadap  laju korosi menunjukkan bahwa dengan penambahan  Si  sampai  0,2%    pertambahan berat  hasil  uji  korosi  pada  paduan  Zr- 0,5w%Nb-Si semakin menurun. Penambahan kadar  Si  lebih  dari  0,2  %  mengakibatkan kerusakan korosi lebih lanjut pada paduan Zr- 0,5w%Nb-Si  sehingga  ketahanan  korosinya menurun. Ditinjau dari penambahan kadar Si, diperoleh  laju  korosi  terendah  dengan temperatur  350 o C  dan  waktu  korosi  24  jam
yaitu  pada  penambahan  kadar  Si  sampai 0,2%,  dan  terjadi  pada  sampel  yang mengalami anil 800 o C  dan waktu penahanan 6 jam.

## DAFTAR PUSTAKA
1.  SIGIT, WIDJAKSANA, MUCHLIS. B,R.A.SURYANA.:  Analisis  Fenomena Proses  Pengompakan  Serbuk  Zircaloy-4, Prosiding  Pertemuan  dan  Presentasi Ilmiah,  PPNY-BATAN,  Buku  II,ISSN 0216-3128,  Yogyakarta,  April  1995,  hal 125-130.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 % Si P e rt a m b a h a n B e ra t (m m /d m 2 ) Tanpa Anil Anil 600oC,4jam Anil 600oC,6jam 0 2 4 6 8 10 12 14 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 % Si P e rt a m b a h a n B e ra t (m m /d m 2 ) Tanpa Anil Anil 800oC,4jam Anil 800oC,6jam
2.  PARVENOV  B.G.,  GERASIMOV  V.V., IVENEDIKTOVA  G.: Corrosion  Zirconium and  Zirconium  Alloys ,  Israel  Program  for
Scientific  Translation  Jerusalem,  1969, Hal 10,18-23.
3.  SIGIT.:  Bahan  Dukung  dan  Struktur, Diklat  Teknologi  Industri  Bahan  Bakar Nuklir, Serpong, 10-26 juli 1995, hal 11.
4.  SUGONDO, MUCHLIS.B.: Optimasi
Karakteristik  Ketahanan  Korosi  Zirkaloi melalui  variabel  pemadu,  Seminar  FTUI, PEBN-BATAN, 4-7 Agustus 1998,      hal 3-4. 5.  THADEUS B.MASSAKI, HIROAKI OKAMATO,  P.RSUBRAMANIAN,  LINDA KACPZAK.: Binary Alloy Phase Diagrams.: ASM  International  Second Edition, Vol 2-3.
6.  DALGAARD,S.B.: Ibid , hal 159
7.  ELLS,C.E.et  al.: Prosedings  of  the  Third UN  International  Conference  on  the Peaceful Uses of Atomic Energy ,
Geneva, 1964.
8.  JASTRZEBSKI,  Z.D.,  1987.: The  Nature and  Properties  of  Engineering  Materials ,
John Wiley & Sons, New York
9.  SEDLACEK, V., 1986.: Non-ferrous Metal and Alloys , Elsevier, Praha, hal. 415.
10.  BENJAMIN LUSTMAN,1955.: The Metallurgy  of  Zirconium ”,  New  york,
p.469-472, 537-545
11.  .---------, 1993.: Standard Test Method for Corrosion  Testing  of  Zirconium ,  Hafnium, and  Their  Alloys  in  Water  at  633°K  or  in Steam  at  673°K  [Metric],  G  2M, Annual Book  of  ASTM  Standards ,  Vol.  02.04,
ASTM, Philadelphia, Hal. 811-817.